賀明鳴，李 輝，桂滿海

（上海船舶研究設計院，上海 201203）

“海洋石油707”綜合勘察船的總體設計

賀明鳴，李 輝，桂滿海

（上海船舶研究設計院，上海 201203）

綜合勘察船作為海洋油氣田勘探的主力船型，具有鉆探取樣、海洋水文調查和海底地形地貌勘察等多種功能。簡要介紹某綜合勘察船的主要技術特點、總布置特點、船舶性能和船舶定位系統(tǒng)設計等。為提高舒適性，該船對上層建筑布置進行優(yōu)化，滿足《2006年海事勞工公約》的要求；為提高作業(yè)能力，該船布置鉆機系統(tǒng)、單波束、多波束、淺剖和海流剖面儀等大量專業(yè)設備；為兼顧深水和淺水的定位能力，該船配備動力定位系統(tǒng)和四點錨泊系統(tǒng)。耐波性和穩(wěn)性作為關鍵性能，將直接影響勘察船的作業(yè)能力，在對該船進行設計時采取一系列措施提高其作業(yè)能力。為保證該船的穩(wěn)性和裝載能力，空船重量控制也是重點工作。

綜合勘察船；鉆探取樣；海洋水文調查；海底地形地貌；四點錨泊；動力定位

0 引 言

海上油氣田開發(fā)分為勘探（即尋找油氣田）、開發(fā)和生產(chǎn)等3個階段，其中勘探是首要工作。在勘探階段，首先要找到有利于油、氣儲集的地質和構造，然后從這些地質和構造中找出工業(yè)性油氣藏，包括查明油氣田的大小、確定油氣的儲量和弄清油氣層的性質等，為油氣田開發(fā)做好準備?？辈齑饕沼诳碧诫A段，并為開發(fā)階段提供海底地質構造情況及工程設計基礎參數(shù)等[1]。

海上油氣田勘探主要有工程地質調查和工程物探調查2種方法，其中：工程地質調查法主要通過工程地質鉆探等手段獲取海底土樣，進行海底地質調查研究；工程物探調查法則是根據(jù)地下巖石物理性質的不同，利用各種勘探儀器進行測量，了解地下構造。

綜合勘察船兼?zhèn)涔こ痰刭|調查和工程物探調查兩大功能，可細分為水深和地形測量、淺地層剖面和海底地貌及障礙物調查、高分辨數(shù)字地震調查、海底表層取樣、海洋水文環(huán)境觀測、工程地質鉆探和取樣及原位靜力觸探測試等。這里以上海船舶研究設計院自主研發(fā)的“海洋石油 707”綜合勘察船（見圖 1）為例，對其總體設計進行分析。

1 船型主要技術要素

通過論證分析，該船采用全回轉舵槳電力推進形式，二級動力定位加四點錨泊定位。船舶主尺度和參數(shù)見表1。

表1 船舶主尺度和參數(shù)

2 總布置特點

2.1 上層建筑布置及舒適性優(yōu)化

考慮到該船的尺度較小、作業(yè)人員較多，且需滿足《2006年海事勞工公約》的要求，對其上層建筑進行舒適性和實用性優(yōu)化。

首先對該船的上層建筑進行功能分區(qū)，按照以下原則進行設計：

1) 將工作艙室與居住艙室分開，減少相互干擾，便于管理；

2) 使專業(yè)實驗室與相關設備的距離縮小，提高工作效率；

3) 甲板越往上，噪聲和振動越小，舒適性越高，居住艙應盡量往高處布置；

4) 住艙應盡量遠離機艙棚和機艙通風口等噪聲源。

經(jīng)過優(yōu)化設計后，該船的主甲板和第一艏樓甲板后部為工作區(qū)域，第一艏樓甲板前部及其以上部分為居住休息區(qū)域。與一般船舶相比，該船的工作區(qū)域增設有地球物理實驗室、土樣實驗室、土樣儲存庫和鉆井修理間等專業(yè)艙室。該船的居住艙室滿足《2006年海事勞工公約》的要求，且所有住艙均有自然采光。經(jīng)過振動噪聲計算和設計優(yōu)化，實測該船的振動噪聲滿足ISO 6954和IMO A.468 Ⅻ的要求。為滿足該船動力定位作業(yè)時的視線要求，并提高作業(yè)的安全性，駕駛室采用360°無遮擋設計，在后駕控臺進行動力定位（Dynamic Positioning，DP）操作時能清楚地看到后甲板的作業(yè)情況和周邊海域的情況。

此外，對其救生設備的布置進行優(yōu)化，將救生筏布置在人員最易到達的區(qū)域，并在鄰近區(qū)域設置面積充足的集合站。同時，為更合理地利用空間，采用懸臂伸縮式閥吊。

2.2 專業(yè)設備布置

為增強勘察作業(yè)能力，該船需配備大量專業(yè)設備，主甲板需留出充足的作業(yè)面積，這對該船的精細化設計提出很高的要求。專業(yè)設備主要分為地質鉆探系統(tǒng)和工程物探系統(tǒng)2類，其中：地質鉆探系統(tǒng)主要包括鉆探設備、取樣設備和靜力觸探設備；工程物探系統(tǒng)主要包括單波束、多波束、淺剖、海流剖面儀和二維地震勘探設備等。

2.2.1 地質鉆探系統(tǒng)

鉆探設備是該船最重要的設備，在設計船舶時已對其進行大量優(yōu)化?？辈齑你@機系統(tǒng)主要包含散料及泥漿系統(tǒng)、井架及提升系統(tǒng)、鉆桿處理系統(tǒng)、水下設備及輔助設備和鉆探控制系統(tǒng)等。與鉆井平臺和鉆井船相比，該系統(tǒng)的不同之處在于：采用無隔水套管作業(yè)，鉆井泥漿直接排到海底，泥漿不返回、不回收；不鉆入油層，無防噴器；采用5寸鉆桿，為便于取樣和測試，通徑比常規(guī)鉆桿大。

該船配備的鉆機最大作業(yè)水深為300m，最大鉆探深度為200m，最大動態(tài)鉤載為60t，深沉補償能力為±1.5m；井架采用箱式結構，支撐框架采用插銷形式連接；頂驅采用液壓驅動，井下工具可通過頂驅頂部進入；管子處理系統(tǒng)配備可吊式鉆桿盒、伸縮式抓管機、液壓動力貓道和液壓式鐵鉆工；泥漿系統(tǒng)主要由高壓泥漿泵、散料罐、泥漿攪拌器、混合漏斗和混合泵等組成；司鉆房布置在井架右側，設主司鉆和副司鉆2個綜合操縱椅、集成多功能控制手柄和操作面板，主司鉆主要控制鉆井絞車和頂驅補償裝置等、副司鉆主要控制抓管機和動力貓道等管子處理設備；配備具有自由落體功能的取樣絞車、海底基盤及電動基盤絞車。

為高效地利用甲板面積并符合船東的作業(yè)習慣，鉆機系統(tǒng)及取樣設備的布置采用二層臺形式，即在上層建筑后端設置獨立的鉆探甲板，將司鉆房、鉆桿處理系統(tǒng)及主要設備布置在鉆探甲板上，將液壓泵站、海底基盤等無需頻繁操作的設備布置在主甲板上，將泥漿系統(tǒng)布置在主甲板下的艙室內。為縮短管系和電纜的長度，提高作業(yè)人員的工作效率，將鉆機系統(tǒng)的所有設備布置在臨近的區(qū)域內，并設置直通梯道。

2.2.2 工程物探系統(tǒng)

工程物探也是該船的主要功能之一，主要通過聲學設備對海底進行清查，確定海床上有無海底光纜、電纜及油氣管道等人工構建物，有無沉船，有無特殊生物群落等；同時，測量工區(qū)的海底地形地貌，探測海底淺地層內有無影響安全的地質災害因素等[2]。

該船固定安裝多波束、單波束、淺地層剖面儀和海流剖面儀，按照作業(yè)要求，這些設備的換能器需安裝在船底，而其對噪聲和氣泡極為敏感。因此，為避免噪聲和船底氣泡對換能器造成影響，在船底外設置獨立的導流罩，并將聲學設備的換能器布置在導流罩內。導流罩呈水滴形，可避免產(chǎn)生氣泡并降低對船舶阻力的影響。二維地震勘探設備包括震源、電纜、擴展器、水聽器和絞車等，按照作業(yè)要求，布置在艉部露天主甲板上。為配合勘察設備使用，船尾設置1臺30 t可變幅勘察作業(yè)A架，主甲板設置1臺5 t/15m折臂式克令吊，船尾左舷設置1臺2.5 t物探作業(yè)行車。

3 船舶定位系統(tǒng)設計

3.1 四點錨泊

四點錨泊定位系統(tǒng)主要用于船舶定位，是該船的設計難點之一。艏部和艉部各布置2臺定位錨絞車，其中艉部鋼絲繩的容量為艏部的2倍，可實現(xiàn)無需拋錨艇的自拋錨作業(yè)。為避免占用甲板作業(yè)面積，該船將4臺定位錨絞車均勻布置在艙內，用滑輪將鋼絲繩導出船外與定位錨相連。該系統(tǒng)能在水深80m以內的指定環(huán)境下進行四錨定位作業(yè)。在該船的設計研究中，利用水動力軟件Hydro Star計算船體運動及漂移力的幅頻響應函數(shù)，并應用錨系泊軟件ARAINE，采用動態(tài)分析法進行錨系泊計算分析，結合總體、舾裝和結構等專業(yè)的協(xié)同優(yōu)化設計確定最終的設計方案，使該方案具備作業(yè)能力優(yōu)良、節(jié)約主甲板作業(yè)面積、降低空船重心高度和利于設備維護保養(yǎng)等優(yōu)點。

3.2 動力定位

船舶在進行鉆探作業(yè)時需精確地保持在井口附近，若有較大程度的失位，將發(fā)生鉆桿彎曲，甚至是斷裂事故。因此，該船在進行深水作業(yè)時采用動力定位系統(tǒng)保障船舶安全，該系統(tǒng)能自動檢測出船舶位置與目標位置的偏差，結合風、浪、流等外界擾動的影響，自動控制推進器產(chǎn)生的推力和扭矩，抵消外界影響，使船舶保持船位和艏向。該船配備二級動力定位系統(tǒng)，既能在蒲式風級7級、有義波高1.5m、流速1.5kn的環(huán)境下進行高精度的動力定位作業(yè)，也能在最大單點故障（1個主推進器和1個艏側推失效）的情況下滿足相應動力定位的要求，保證鉆探作業(yè)安全進行。

煤電聯(lián)營或煤、路、港、電、水一體化的發(fā)電廠，應擴大聯(lián)合建設項目，作好全廠總體規(guī)劃，為提高企業(yè)綜合效益創(chuàng)造條件。

4 船舶性能

4.1 耐波性

該船配置的鉆機升沉補償能力為±1.5m，即在設計海況下作業(yè)時船舶的垂蕩不能超過±1.5m。這對該船的耐波性提出較高的要求。

為使該船的耐波性指標滿足鉆機系統(tǒng)的要求（尤其是垂蕩方面），在設計時利用水動力學軟件和耐波性船模試驗等手段對該船的主尺度及線型進行優(yōu)化。試驗結果表明，該船的耐波性性能優(yōu)良，滿足鉆機的作業(yè)要求。

為提高耐波性和舒適性，該船設置舭龍骨和減搖水艙。舭龍骨對船舶建造成本的影響極小，能有效減小船舶的橫搖。通過論證，該船采用U型被動可控式減搖水艙。該類型水艙主要有水閥控制式與氣閥控制式2種，其中：水閥控制式水艙通過調節(jié)水流通道的面積改變水艙的固有振蕩周期，使其適應船舶當前的裝載情況和海況；氣閥控制式水艙通過控制氣閥的開閉調節(jié)艙內水在每個振蕩周期的相位，使其總是滯后于船舶的橫搖相位約90°。該船采用氣閥控制式減搖水艙，通過試航驗證減搖率達35%以上，可顯著提高船舶的舒適性及人員作業(yè)的安全性。

4.2 船舶穩(wěn)性

該船定員56人，其中船員16人、特種作業(yè)人員40人。由于該船所載特種人員超過12人，因此屬于特種用途船，需滿足《特種用途船安全規(guī)則》[3]的要求。按照該規(guī)則，完整穩(wěn)性應符合《2008年完整穩(wěn)性規(guī)則》[4]的要求，破艙穩(wěn)性應滿足SOLAS概率論破艙對客船的要求[5]，但R值取0.8R。針對該船的各個作業(yè)工況（如壓載、滿載、鉆機作業(yè)和A架作業(yè)等）進行穩(wěn)性校核。對于鉆探工況，鉆機系統(tǒng)頂驅所持有的最大鉆桿的質量假定為 30 t，其重心應放在頂驅作業(yè)可到達的最高點；同時，還應在作業(yè)甲板上裝載適當?shù)钠渌鳂I(yè)設備，該假定可大大提高船舶完整穩(wěn)性的要求[6]。

4.3 空船重量控制

空船重量和重心控制是該船設計的關鍵技術之一，分為設計初始階段的預估、設計控制和建造控制。由于該船具有船寬較小、主甲板以上設備較多、上層建筑體積較大等特點，導致其重心偏高，要滿足穩(wěn)性要求必須對重心進行精確控制。若建成后超重或重心位置偏離較大，則會產(chǎn)生載重量不足、穩(wěn)性不夠和浮態(tài)難以調整等問題。因此，該船的空船重量控制必須貫穿從基本設計到完工的所有階段。在設計之初精確估算各項質量大?。辉谠O備招標時對質量大小提出明確限制；在建造過程中禁止以重代輕、以大代小。同時，每月對變化的質量進行統(tǒng)計，并提交匯總表。若發(fā)現(xiàn)重大出入或超出設計預估值，則應及時對其進行校核分析，并采取有效措施加以控制。

5 結 語

“海洋石油707”是我國第一艘自主研發(fā)設計的新型綜合勘察船，其成功交付打破了國外設計公司對勘察船領域的壟斷，填補了國內相關領域的技術空白。該船于2015年9月試航并順利交付，各項性能指標均達到和超過了原設計任務書的要求。隨著我國海洋強國建設進程不斷加快，海洋勘察領域前景廣闊，未來我國必將建造更多功能強大的海洋勘察船。該船型的成功研發(fā)也將為后續(xù)系列船型的研發(fā)升級打下基礎，并提供經(jīng)驗和技術支撐。

[1] 安國亭，盧佩瓊. 海洋石油開發(fā)工藝與設備[M]. 天津：天津大學出版社，2001.

[2] 薄玉寶，陳敏娟. 深水海洋工程地質勘查船技術綜述[J]. 海洋石油，2013, 33 (3): 90-96.

[3] IMO MSC.226(84). 特種用途船舶安全規(guī)則[S].

[4] IMO MSC.267(85). 2008年國際完整穩(wěn)性規(guī)則[S].

[5] IMO. SOLAS Consolidated Edition 2009[S].

[6] 桂滿海. 深水工程勘察船總體性能研究[J]. 船舶與海洋工程，2012, 28 (2): 34-36

General Design of the M ulti-Functional Survey Vessel Hai Yang Shi You 707

HE M ing-m ing，LI Hui，GUI Man-hai
（Shanghai Merchant Ship Design and Research Institute, Shanghai 201203, China）

As a major ship type of offshore oil and gas exploration, Multi-functional survey vessel has the functions of sample boring, oceanographic investigation and geotechnical exploration. This paper briefly introduces the technical specifications, the general arrangement, the performance and the positioning system of the multi-functional survey vessel. The superstructure of the vessel has been optim ized for com fortability to meet the requirement of MLC2006. Some professional devices are equipped to improve the operation capability, including the drilling system, single-beam/multi-beam sub-bottom profiler and current profiler. The dynamic positioning system and four-point mooring system provide the ship w ith the positioning ability both in deepwater and shallow water. Besides, a series of measures have been taken to improve the ability of the ship as the sea-keeping ability and stability of the ship directly influence the survey operation. Light weight control is also one of the key considerations to guarantee the stability and loading capacity.

multi-functional survey vessel; drilling and sampling; oceanographic survey; geotechnical exploration; four-points mooring; dynamic positioning

U674.2；U662

A

2095-4069 (2017) 03-0027-04

10.14056/j.cnki.naoe.2017.03.006

2016-04-15

賀明鳴，男，工程師，1985年生。2008年畢業(yè)于華中科技大學船舶與海洋工程專業(yè)，現(xiàn)從事船舶總體研發(fā)設計工作。